JP2009137950A - Photoacoustic imaging agent - Google Patents

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Yoshinori Tomita
佳紀 富田
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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoacoustic imaging agent comprising a particle as a light-absorbing ingredient, provided that the particle has a structure converting an input signal, which is a weak near-infrared light of within the MPE (maximum permissible exposure) that is scattered in vivo and reaches deep parts of a living body, into a large acoustic output signal. <P>SOLUTION: The photoacoustic imaging agent for use in photoacoustic tomography (PAT) diagnosis contains the particle as the light-absorbing ingredient, provided that the particle has a core part containing a crystal comprising an alkali halide or an alkaline earth halide, a shell part that covers the core part so that the core part does not come into contact with the external environment and a marker part that selectively reacts with a substance derived from a target disease to be detected. The average particle size of the entire particle comprising the core part, the shell part and the marker part is ≤100 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光音響トモグラフィ(PAT)診断に用いる光音響造影剤に関する。   The present invention relates to a photoacoustic contrast agent used for photoacoustic tomography (PAT) diagnosis.

腫瘍や動脈硬化などの疾病増加が社会的に大きな課題となっている。   Increasing diseases such as tumors and arteriosclerosis has become a major social issue.

このような疾病の有無を診断するために、X線CTやPET−CTなどの侵襲的な生体の画像化装置を用いた測定法が実用化されているが、より低侵襲な測定法が求められている。より低侵襲な測定法の候補として、光音響トモグラフィが挙げられる。光音響トモグラフィは、それ自体(光照射自体)は非侵襲な測定法である。しかし腫瘍や動脈硬化などの疾病部と正常部との光学的性質の差は光音響トモグラフィの検出において十分大きなものではない。従って、光音響トモグラフィを腫瘍や動脈硬化の有無の診断に用いるためには、造影剤を投与してコントラストを強調する必要がある。すなわち、光音響トモグラフィを用いた診断は低侵襲な方法といえる。図2に従来の生体画像化装置の模式図を示す。水槽5は水で満たされ、固定された被測定物6に、光源7から光16を照射している。光源からの光は、ミラー8及び凹レンズ9などの光学系を介して照射される。光が照射された際に被測定物から発せられるパルス状の音響信号を、水を介してトランスデューサ(Transducer)10で集音し、試料(被測定物)のほぼ中心を回転中心としてトランスデューサを回転走査することにより得られる信号を画像処理して生体画像を得る。なお、11はアンプリファイアー(amplifier)、12はオシロスコープ、13はコンピュータ、14はステップモータ(step motor)、15は発振用素子を示す。光音響に用いる光源としては、生体透過性の高い600nm以上1300nm以下の範囲の近赤外光が用いられる。   In order to diagnose the presence or absence of such diseases, measurement methods using invasive living body imaging devices such as X-ray CT and PET-CT have been put into practical use, but a less invasive measurement method is desired. It has been. Photoacoustic tomography is a candidate for a less invasive measurement method. Photoacoustic tomography is a noninvasive measurement method in itself (light irradiation itself). However, the difference in optical properties between a diseased part such as a tumor or arteriosclerosis and a normal part is not sufficiently large in detection of photoacoustic tomography. Therefore, in order to use photoacoustic tomography for the diagnosis of the presence or absence of a tumor or arteriosclerosis, it is necessary to administer a contrast agent to enhance the contrast. That is, diagnosis using photoacoustic tomography is a minimally invasive method. FIG. 2 shows a schematic diagram of a conventional biological imaging apparatus. The water tank 5 is filled with water and irradiates light 16 from a light source 7 onto a fixed object 6 to be measured. Light from the light source is irradiated through an optical system such as a mirror 8 and a concave lens 9. A pulsed acoustic signal emitted from the object to be measured when irradiated with light is collected by the transducer (Transducer) 10 through water, and the transducer is rotated about the center of the sample (object to be measured). A biological image is obtained by performing image processing on a signal obtained by scanning. Reference numeral 11 denotes an amplifier, 12 denotes an oscilloscope, 13 denotes a computer, 14 denotes a step motor, and 15 denotes an oscillation element. As a light source used for photoacoustics, near-infrared light having a high biological permeability in the range of 600 nm to 1300 nm is used.

従来の光音響造影については非特許文献1を参照することができる。   For conventional photoacoustic contrast, Non-Patent Document 1 can be referred to.

非特許文献1では、コントラスト造影剤としてインドシアニングリーン(ICG)およびポリエチレングリコールで安定化したインドシアニングリーン(ICG−PEG)をラットに静脈注射し、頭部血管を光音響造影によりイメージングしており、コントラスト造影剤の吸収スペクトルが非特許文献1の中で示されている。また、生体照射可能なレーザ光強度はJIS C 6802:2005による規定で最大許容露光量(MPE)以内であり、また、近赤外光は生体内においては散乱を受けるため、生体内深部の光強度は弱くなる。造影剤へ到達した光の強度に吸収係数を乗じたエネルギーが造影剤に吸収され、一部が造影剤の分子振動を引き起こし、振動が熱に変換される。熱は造影剤内部に留保され、一部は周囲の生体物質に伝播し、これらの熱膨張係数に応じてこれらが微小変形を起こし、それに伴う音が発生する。その結果として、光音響信号としての音圧が検出される。   In Non-Patent Document 1, indocyanine green (ICG) and indocyanine green stabilized with polyethylene glycol (ICG-PEG) are intravenously injected into rats as contrast contrast agents, and blood vessels in the head are imaged by photoacoustic imaging. The absorption spectrum of a contrast contrast agent is shown in Non-Patent Document 1. Further, the intensity of laser light that can be irradiated on the living body is within the maximum allowable exposure (MPE) as defined by JIS C 6802: 2005, and near-infrared light is scattered in the living body. The strength is weakened. Energy obtained by multiplying the intensity of light reaching the contrast agent by an absorption coefficient is absorbed by the contrast agent, partly causing molecular vibration of the contrast agent, and the vibration is converted into heat. The heat is retained inside the contrast medium, and part of it is propagated to the surrounding biological material, and these undergo microdeformation according to their thermal expansion coefficient, and sound is generated accordingly. As a result, a sound pressure as a photoacoustic signal is detected.

上記の従来の光音響造影剤においては以下の課題がある。   The above-mentioned conventional photoacoustic contrast agent has the following problems.

第1には、生体深部での光強度が弱いため、造影剤の発熱が数ミリKと小さい(非特許文献1において2mJ/cmの露光強度で2.6mK)。そのため、生体深部では検出される光音響信号としての音圧が必然的に小さくなり、得られる画像の生体深部のコントラストが低くなってしまう。 First, since the light intensity in the deep part of the living body is weak, the heat generated by the contrast agent is as small as several millimeters K (in Non-Patent Document 1, the exposure intensity is 2 mJ / cm 2 and 2.6 mK). For this reason, the sound pressure as the photoacoustic signal detected in the deep part of the living body is inevitably small, and the contrast of the deep part of the living body of the obtained image is lowered.

第2には、紫外線領域の波長に比べ、近赤外の光はエネルギーが小さい。近赤外光のエネルギーは、分子回転や分子振動を引き起こすことはできるが、分子を構成する原子間の解離エネルギーより小さいため分子結合を切ることができず、また化学反応を起こす活性化エネルギーより小さいため光や光が転じた熱による反応促進ができない。   Second, near-infrared light has less energy than the wavelength in the ultraviolet region. Near-infrared light energy can cause molecular rotation and vibration, but it is less than the dissociation energy between the atoms that make up the molecule, so it cannot break the molecular bond, and more than the activation energy that causes a chemical reaction. Because of its small size, the reaction cannot be accelerated by light or the heat generated by turning the light.

第3には、色素は、その濃度が増大すると、濃度消光や、凝集状態における光学的異方性の増大に伴う光吸収の異方性、光吸収の偏光性、光吸収波長のシフト、光吸収効率の飽和・低下などの現象が生じるため、密度を上げることによる集積効果は単位cm当たり1017程度が限界であった。 Thirdly, as the concentration of the dye increases, concentration quenching, anisotropy of light absorption due to an increase in optical anisotropy in the aggregated state, polarization of light absorption, shift of light absorption wavelength, light Since phenomena such as saturation / decrease of absorption efficiency occur, the accumulation effect by increasing the density is limited to about 10 17 per cm 3 .

一方、色中心を有する物質が知られる。色中心を有する物質は無色透明の単結晶であるが、γ線、X線、電子線、紫外線など1次励起光を照射した場合、あるいはアルカリ金属蒸気に晒した場合に、着色し、特定の波長域の光を吸収するようになる。色中心を有する物質の光吸収スペクトルが非特許文献2に示されている。
“Noninvasive photoacoustic angiography of animal brains in vivo with near−infrared light and an optical contrast agent”,Xueding Wang et al.,Optics Letters/Vol.29,No.7,pp.730−732/April 1,2004 “Spectral Location of the Absorption Due to Color Centers in Alkali Halides Crystals”,HENRY f.IVEY,Physical Review,Vol.72,No.4,pp.341−343,August 15,1947
On the other hand, substances having color centers are known. A substance having a color center is a colorless and transparent single crystal. However, it is colored when irradiated with primary excitation light such as γ-rays, X-rays, electron beams, ultraviolet rays, or when exposed to alkali metal vapor. Absorbs light in the wavelength range. Non-Patent Document 2 shows a light absorption spectrum of a substance having a color center.
“Nonvasive photoacoustic angiography of animal brains in vivo with near-infrared light and an optical contrast agent”, Xueding Wanget. , Optics Letters / Vol. 29, no. 7, pp. 730-732 / April 1,2004 “Spectral Location of the Absorption Due to Color Centers in Alkalidides Crystals”, HENRY f. IVEY, Physical Review, Vol. 72, no. 4, pp. 341-343, August 15, 1947

上記課題を解決するために、本発明は、近赤外波長領域のMPE以下の光が生体内で散乱されながら到達した微弱光を入力信号とし、大きな音響出力信号に変換することが可能な構造を有する粒子を光吸収成分とする光音響造影剤を提供することを目的とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention has a structure capable of converting weak light that arrives while light below the MPE in the near-infrared wavelength region is scattered in the living body into an input signal and converts it into a large acoustic output signal. An object of the present invention is to provide a photoacoustic contrast agent having particles having a light-absorbing component.

上記課題を解決するための本発明にかかる光音響造影剤は、
光音響トモグラフィ(PAT)診断に用いる光音響造影剤において、
アルカリハライドもしくはアルカリ土類ハライドからなる結晶を含むコア部と、
前記コア部を被覆して前記コア部が外部環境に触れないようにするシェル部と、
検出対象の特定疾病由来の物質と選択的に反応するマーカー部と、を有し、前記コア部と前記シェル部と前記マーカー部をあわせた全体の平均粒径が100nm以下である粒子を、光吸収成分として含むことを特徴とする。
The photoacoustic contrast agent according to the present invention for solving the above problems is
In a photoacoustic contrast agent used for photoacoustic tomography (PAT) diagnosis,
A core containing a crystal comprising an alkali halide or an alkaline earth halide;
A shell portion that covers the core portion so that the core portion does not touch the external environment;
A marker part that selectively reacts with a substance derived from a specific disease to be detected, and particles having a total average particle size of 100 nm or less including the core part, the shell part, and the marker part It contains as an absorption component, It is characterized by the above-mentioned.

本発明に係る光音響造影剤によれば、近赤外波長領域のMPE以下の微弱光を入力信号とし、これを大きな音響出力信号に変換することが可能となる。   According to the photoacoustic contrast agent according to the present invention, it is possible to use weak light below the MPE in the near-infrared wavelength region as an input signal and convert it into a large acoustic output signal.

以下、本発明の光音響造影剤に関して詳述する。本発明の光音響造影剤の構造の一例を図1(a)及び(b)に模式的に示す。この光音響造影剤の有効成分、すなわち光吸収成分としての粒子は、コア部1としてアルカリハライドからなる結晶もしくはアルカリ土類ハライドからなる結晶(アルカリハライドとアルカリ土類ハライドとの双方を有する結晶であってもよい)を有する。このコア部に1次励起光を照射するか、このコア部をアルカリ金属蒸気に晒すことによって、色中心を形成することができる。コア部1を被覆する外殻としてシェル部2が設けられている。更に、シェル部2の外表面にはマーカー部3が設けられている。シェル部2とマーカー部3の間には、必要に応じてこれらをつなぐコンジュゲート部4が設けられる。図1(a)はコンジュゲート部4がシェル部2と別体のマーカー部3とを連結している例を示している。図1(b)は変形例で、マーカー部3にシェル部2が取り込まれ、あるいは、マーカー部3にシェル部2が包接されている例を示している。   Hereinafter, the photoacoustic contrast agent of the present invention will be described in detail. An example of the structure of the photoacoustic contrast agent of the present invention is schematically shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). The active ingredient of this photoacoustic contrast agent, that is, the particle as the light absorbing component is a crystal comprising an alkali halide or an alkaline earth halide (a crystal having both an alkali halide and an alkaline earth halide as the core portion 1). May be). The color center can be formed by irradiating the core part with primary excitation light or by exposing the core part to alkali metal vapor. A shell portion 2 is provided as an outer shell covering the core portion 1. Furthermore, a marker portion 3 is provided on the outer surface of the shell portion 2. A conjugate part 4 is provided between the shell part 2 and the marker part 3 to connect them as necessary. FIG. 1A shows an example in which the conjugate part 4 connects the shell part 2 and a separate marker part 3. FIG. 1B shows a modification in which the shell portion 2 is taken into the marker portion 3 or the shell portion 2 is included in the marker portion 3.

(色中心を形成し得る物質群と、色中心を形成する手段)
本発明の光音響造影剤に用いるハロゲン化アルカリもしくはハロゲン化アルカリ土類としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムのうち1種類以上のカチオンと、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチンのうちの1種類以上のアニオンとの組合せからなる塩を用いることができる。2種以上の塩を混合して用いてもよい。これらの複数のカチオンと複数のアニオンからなる複合塩として用いることもできる。さらには過塩素酸アニオンや過臭素酸アニオンなどと、アルカリまたはアルカリ土類カチオンとの組合せによる過ハロゲン酸塩も用いることができる。本発明においては過ハロゲン酸塩もハロゲン化物の一種とする。
(Substance group capable of forming a color center and means for forming a color center)
Examples of the alkali halide or alkaline earth halide used in the photoacoustic contrast agent of the present invention include one or more of lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium, francium, beryllium, magnesium, calcium, strontium, barium, and radium. A salt composed of a combination of a cation and one or more anions of fluorine, chlorine, bromine, iodine, and astatine can be used. Two or more salts may be mixed and used. It can also be used as a complex salt composed of a plurality of these cations and a plurality of anions. Further, a perhalogenate based on a combination of a perchlorate anion or a perbromate anion and an alkali or alkaline earth cation can also be used. In the present invention, a perhalogenate is also a kind of halide.

上記の物質は、一般的に可視波長領域乃至赤外領域までの広い波長領域に光学吸収がないため、通常単結晶は無色透明である。一方、上記の物質にγ線、X線、電子線、紫外線など1次励起光を照射すると、あるいはアルカリ金属蒸気に晒すと、着色し、特定の波長域の光を吸収するようになる。以下、このような性質を有する物質を総称して、色中心を有する物質と呼ぶ。   Since the above substances generally have no optical absorption in a wide wavelength region from the visible wavelength region to the infrared region, the single crystal is usually colorless and transparent. On the other hand, when the above substances are irradiated with primary excitation light such as γ-rays, X-rays, electron beams, ultraviolet rays, or when exposed to alkali metal vapor, they become colored and absorb light in a specific wavelength range. Hereinafter, substances having such properties are collectively referred to as substances having a color center.

(色中心の基礎物性)
色中心に関しては、以下の公知文献などに記載されている。
・「光物性ハンドブック」(228頁、398頁)
・「Color Centers in Alkali−Halides,and A11ied Phenomena」(Electronic Processes in Ionic Crystals、109頁)
・「光物性、電子格子相互作用」(固体物理別冊、17頁、82頁)
・「物質と光」(理工学基礎講座24、130頁)
図3(a)および図3(b)は、色中心を有する物質の着色原理を構造的およびエネルギー的に示す図である。
(Color-based basic physical properties)
The color center is described in the following known documents.
・ "Optical Property Handbook" (p.228, p.398)
・ "Color Centers in Alkali-Halides, and A11ied Phenomena" (Electronic Processes in Ionic Crystals, p. 109)
・ "Optical properties, electron-lattice interaction" (Solid physics separate volume, pages 17 and 82)
・ "Materials and light" (Science and Technology Basic Course 24, 130)
FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams showing the coloring principle of a substance having a color center in terms of structure and energy.

また、図7は、色中心の多形を表す図である。図中、「eもしくはeと記されている丸」は電子を、「斜線丸」はカチオンを、「黒丸」はホールを、「白丸」はアニオンを、それぞれ表す。色中心は、図7に示す多形の中で、いずれかの一つの形を常に取るとは限らず、変換(変形)することが知られている。色中心は本発明の光音響造影に用いる光波長に対して吸収があればよいので、色中心は多形の中でどの形であってもよい。また、図7に示した電子が局在した状態のみならず、実際には電子が非局在した水素原子様のモデルも提唱されていているが、本発明の色中心はそのような形であっても良い。色中心がこのように水素原子様の構造を取り得ることが、色中心が大きな振動子強度、すなわち大きな光吸収効率を有する理由であると言われている。 FIG. 7 is a diagram illustrating a polymorph of the color center. In the figure, “circles marked with“ e ”or“ e ”represent electrons,“ hatched circles ”represent cations,“ black circles ”represent holes, and“ white circles ”represent anions. It is known that the color center does not always take any one of the polymorphs shown in FIG. 7, but transforms (deforms). Since the color center only needs to be absorbed with respect to the light wavelength used in the photoacoustic contrast imaging of the present invention, the color center may be any shape among polymorphs. In addition to the localized state of electrons shown in FIG. 7, a hydrogen atom-like model in which electrons are actually delocalized has been proposed, but the color center of the present invention is in such a form. There may be. The fact that the color center can take such a hydrogen atom-like structure is said to be the reason why the color center has a large vibrator strength, that is, a large light absorption efficiency.

着色のメカニズムは、図3(a)および図7に示すように、イオン性結晶内に電子と正孔のペアから成る励起子が捕捉されることによるものであると解されている。   It is understood that the coloring mechanism is due to the trapping of excitons composed of electron-hole pairs in the ionic crystal, as shown in FIGS.

1次励起光を照射した場合、励起子が「電子」と「ホール」のペアとして結晶内に捕捉される。「ホール」は単独で長時間存在できないが、励起の衝撃で2つの「ハロゲンアニオン(例:−1価と仮定)」の原子座標が偏ってできた「ハロゲンアニオンペア(−2価)」に「ホール(+1価)」が捕捉された「ハロゲンアニオンペア+ホール(−1価)」を形成して安定化するモデル(Vk形)が考えられる。1次励起光を照射した場合の着色は以下のように説明できる。すなわち、エネルギー的には、図3(b)に示すように、導電帯と価電子帯との間に(ハロゲンの)トラップ準位があり、1次励起光で価電子帯からトラップ準位に電子が励起される。以下、これを1次励起とし、トラップ準位に電子が励起された状態を励起状態とする。この励起状態の寿命は室温付近の温度においては比較的長いという特徴をもつ。   When the primary excitation light is irradiated, excitons are trapped in the crystal as a pair of “electrons” and “holes”. “Hall” cannot exist alone for a long time, but the “Halogen anion pair (−2 valence)” in which the atomic coordinates of two “halogen anions (eg, assumed to be −1 valence)” are biased by the impact of excitation A model (Vk type) in which “halogen anion pair + hole (−1 valence)” in which “hole (+1 valence)” is captured and stabilized is considered. The coloring when irradiated with the primary excitation light can be explained as follows. That is, in terms of energy, as shown in FIG. 3B, there is a (halogen) trap level between the conduction band and the valence band, and the primary excitation light changes from the valence band to the trap level. Electrons are excited. Hereinafter, this is referred to as primary excitation, and a state in which electrons are excited in the trap level is referred to as an excited state. This excited state has a characteristic that it has a relatively long lifetime at temperatures near room temperature.

一方、アルカリ金属蒸気に晒した場合の着色は、アルカリ金属が「アルカリイオン(アルカリカチオン)」と「電子」のペアとして捕捉されることによるものであるといわれている。この場合、ショットキー型の、つまり元の結晶中で、「アルカリカチオン」と「ハロゲンアニオン」が欠如している格子点に、「電子」と「アルカリカチオン」のペアからなる励起子が捕捉されると考えられる。この場合の電子も励起状態にある。   On the other hand, coloring when exposed to alkali metal vapor is said to be due to trapping of alkali metal as a pair of “alkali ion (alkali cation)” and “electron”. In this case, excitons consisting of pairs of “electrons” and “alkali cations” are trapped at the lattice points of the Schottky type, that is, the original crystal lacking “alkali cations” and “halogen anions”. It is thought. The electrons in this case are also in an excited state.

以上のいずれの場合であっても、色中心は励起状態となる。   In any of the above cases, the color center is in an excited state.

このような励起状態にある色中心にその吸収帯内の光を照射することにより、捕捉されている電子をトラップ準位から導電帯に光励起することができる(以下、これを2次励起とする)。2次励起によって導電帯に励起された電子が、基底状態まで無輻射で遷移する過程において、1次励起に相当する大きなエネルギーが解放される。すなわち、色中心は、2次励起光の小さなエネルギーで、1次励起光に相当する大きなエネルギーを放出することができる。なお、図3(a)はNaCl型結晶格子を表しているが、CsCl型結晶格子の場合でも同様に励起子の捕捉が起き、色中心が形成される。   By irradiating light in the absorption band to the color center in such an excited state, the trapped electrons can be photoexcited from the trap level to the conduction band (hereinafter referred to as secondary excitation). ). In the process in which electrons excited in the conduction band by secondary excitation make a transition to the ground state without radiation, large energy corresponding to primary excitation is released. That is, the color center can emit a large energy corresponding to the primary excitation light with a small energy of the secondary excitation light. Although FIG. 3A shows a NaCl type crystal lattice, excitons are similarly trapped in the case of a CsCl type crystal lattice, and a color center is formed.

(色中心の吸収波長とコア部の化学組成との相関)
コア部に用いる結晶に形成される色中心の光吸収帯は、色中心を形成し得る物質群のイオン種の組合せによって調節できる。すなわち、色中心を形成し得る物質群のイオン種の組合せを選択することで、光音響に用いる光の波長帯域に吸収を有する色中心をコア部に用いる結晶に形成させることができる。そのような選択は、例えば、図4および図5に示すような臭化物塩および塩化物塩をX線照射したときに形成される色中心の吸収スペクトルを用いて行うことができる。また、先に挙げた非特許文献2などに示されている臭化物塩、塩化物塩、フッ化物塩及びヨウ化物塩の吸収スペクトルを用いて選択を行うことができる。コア形成用の材料としては、たとえば、NaF、NaCl、NaBr、NaIなどを挙げることができる。
(Correlation between color center absorption wavelength and core chemical composition)
The light absorption band of the color center formed in the crystal used for the core part can be adjusted by the combination of the ionic species of the substance group that can form the color center. That is, by selecting a combination of ion species of a substance group capable of forming a color center, a color center having absorption in the wavelength band of light used for photoacoustics can be formed in a crystal used for the core portion. Such selection can be performed using, for example, an absorption spectrum of a color center formed when a bromide salt and a chloride salt as shown in FIGS. 4 and 5 are irradiated with X-rays. Moreover, selection can be performed using the absorption spectra of bromide salts, chloride salts, fluoride salts, and iodide salts shown in Non-Patent Document 2 mentioned above. Examples of the material for forming the core include NaF, NaCl, NaBr, and NaI.

また、これらイオン種を混合した混晶を用いることで、その吸収スペクトルを混合比に応じて連続的に変化させることができ、好適な吸収スペクトルを有する色中心を設計することができる。よって、本発明においては光音響に用いる光の波長帯域に色中心の吸収スペクトルが適合した混晶組成とすることを特徴とする。例えば、複数のカチオン(例えばA、B)と複数のアニオン(例えばC,D)の3〜4成分が「混合」した塩(例えば組成式でA0.50.5CやA0.50.50.50.5やA0.20.80.70.3などで表される塩)を用いることができる。 In addition, by using a mixed crystal in which these ionic species are mixed, the absorption spectrum can be continuously changed according to the mixing ratio, and a color center having a suitable absorption spectrum can be designed. Therefore, the present invention is characterized in that the mixed crystal composition has a color center absorption spectrum adapted to the wavelength band of light used for photoacoustics. For example, a salt in which 3 to 4 components of a plurality of cations (for example, A, B) and a plurality of anions (for example, C, D) are “mixed” (for example, A 0.5 B 0.5 C or A 0. 5 B 0.5 C 0.5 D 0.5 , A 0.2 B 0.8 C 0.7 D 0.3, or the like) can be used.

さらには、従来例で示したICGのブロードな近赤外スペクトルに比較して、上述した色中心の吸収スペクトルピーク(2次励起時の吸収スペクトルピーク)は波長帯域が狭く、レーザを用いた場合に実効的な量子効率が高い。   Furthermore, compared with the ICG broad near-infrared spectrum shown in the conventional example, the above-mentioned color center absorption spectrum peak (absorption spectrum peak at the time of secondary excitation) has a narrow wavelength band, and a laser is used. High effective quantum efficiency.

本発明の光音響造影剤の使用にあたっては、2次励起に波長600nm以上1300nm以下の領域の近赤外領域の光を用いることが好ましい。いわゆる「生体の窓」と呼ばれるこの波長帯域は、血液ヘモグロビンによる光吸収が小さく、且つ水による光吸収も小さいため、生体内の光照射用光源に用いることが検討されている。   In using the photoacoustic contrast agent of the present invention, it is preferable to use light in the near infrared region having a wavelength of 600 nm to 1300 nm for secondary excitation. This wavelength band called a “biological window” is considered to be used as a light irradiation light source in a living body because light absorption by blood hemoglobin is small and light absorption by water is also small.

本発明は造影剤であるため、光音響トモグラフィ装置で使われる光すなわち造影剤に照射される光の波長に対応するように、色中心の吸収波長を適合させることが好ましい。   Since the present invention is a contrast agent, it is preferable to adjust the absorption wavelength at the color center so as to correspond to the wavelength of light used in the photoacoustic tomography apparatus, that is, light irradiated to the contrast agent.

従来例で示した色素への光照射においては、高価な波長可変DYEレーザを用いている。これに対して、本発明の造影剤は吸収波長を調整することができるので、光照射には汎用的で安価なガスレーザやレーザダイオードを用いることができる。本発明のコア部はレーザ波長に色中心の吸収ピークを適合させることが容易である。例えば、コア部に臭化カリウムを用いれば、ヘリウム−ネオンレーザのレーザ波長である633nmに色中心の吸収ピークを適合させることができる。また、他の例としては、臭化カリウムと臭化ルビジウムとのモル比率1:9の混晶を用いることで、光ディスク用に開発されたレーザダイオードのレーザ波長である680nmに色中心の吸収ピークを適合させることができる。   In the light irradiation to the dye shown in the conventional example, an expensive wavelength variable DYE laser is used. In contrast, since the contrast agent of the present invention can adjust the absorption wavelength, a general-purpose and inexpensive gas laser or laser diode can be used for light irradiation. The core part of the present invention can easily adapt the absorption peak at the color center to the laser wavelength. For example, if potassium bromide is used for the core, the absorption peak at the color center can be adapted to the laser wavelength of the helium-neon laser at 633 nm. As another example, by using a mixed crystal of potassium bromide and rubidium bromide in a molar ratio of 1: 9, an absorption peak having a color center at 680 nm, which is a laser wavelength of a laser diode developed for optical disks. Can be adapted.

(シェル部)
本発明のコア部の、アルカリハライド(もしくはアルカリ土類ハライド)が吸湿・潮解すると、結晶構造を維持できない。色中心は原理から明らかなように結晶状態の物質にのみ存在し、溶液状態の物質には存在し得ない。したがって、コア部を大気中の水蒸気や生体内の水分から保護するシェル部を設けることが、色中心をコントラスト造影剤として用いるときの重要な特徴である。シェル部に用いられる材料としては、コア部を被覆して外殻を形成し、コア部が外部環境に接触しないようにし、少なくとも水分や水蒸気の浸入を防ぐことができる材料が用いられる。また、ここでいう被覆とは、コア部が、外部環境に存在する水分や水蒸気等と接触しないようにシェル部で覆われていることを意味する。このようなシェル部は、例えば、コア部の外表面にコーティングを行うことにより、あるいは、コア部の外表面を修飾することにより形成することができる。このコーティングまたは修飾用の材料としては、有機や無機の高分子化合物が好適である。有機高分子化合物としては、各種のポリマー、ポリペプチド及びこれらの誘導体、ならびに、これらの2種以上の共重合体あるいは有機デンドリマー化合物を挙げることができる。これらの2種以上の混合物も利用できる。ポリマーとしては、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリ乳酸、ポリ(メタ)アクリル酸およびそのエステル類、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ゼラチン、シリコーン、ポリシロキサンなどを挙げることができる。無機高分子化合物としては、シリカ、アルミナなどが挙げられる。また、以上のいずれかを主成分とする複合体も利用できる。また、シェルは高分子に限定されるものではなく、低分子の脂質2分子膜などもシェルとして用いることができる。また、たとえば有機−無機ハイブリッド化合物や有機化合物と無機化合物との混合物を用いることもできる。
(Shell part)
When the alkali halide (or alkaline earth halide) in the core of the present invention absorbs moisture and deliquesces, the crystal structure cannot be maintained. As is clear from the principle, the color center exists only in the crystalline material, and cannot exist in the solution material. Therefore, providing a shell portion that protects the core portion from water vapor in the atmosphere and moisture in the living body is an important feature when the color center is used as a contrast contrast agent. As the material used for the shell portion, a material that covers the core portion to form an outer shell, prevents the core portion from coming into contact with the external environment, and at least prevents moisture and water vapor from entering. Further, the term “coating” used herein means that the core portion is covered with the shell portion so as not to come into contact with moisture, water vapor, or the like existing in the external environment. Such a shell part can be formed, for example, by coating the outer surface of the core part or by modifying the outer surface of the core part. As the coating or modifying material, organic or inorganic polymer compounds are suitable. Examples of the organic polymer compound include various polymers, polypeptides and derivatives thereof, and two or more kinds of copolymers or organic dendrimer compounds thereof. Mixtures of two or more of these can also be used. Examples of the polymer include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polylactic acid, poly (meth) acrylic acid and esters thereof, polyethylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, gelatin, silicone, and polysiloxane. Examples of the inorganic polymer compound include silica and alumina. Moreover, the composite_body | complex which has either of the above as a main component can also be utilized. The shell is not limited to a polymer, and a low molecular weight lipid bilayer can be used as the shell. Further, for example, an organic-inorganic hybrid compound or a mixture of an organic compound and an inorganic compound can be used.

(マーカー部およびマーカー部とシェル部とのコンジュゲート)
マーカー部は検出対象の特定疾病由来の物質と選択的に反応する構成を有する。マーカー部には腫瘍や動脈硬化などの各種疾病を検出するマーカーを好適に用いることができる。マーカーは、一般的に特異的選択吸着性を有する。マーカーとしては、抗原と選択的に反応する抗体、基質と選択的に反応する酵素、さらには、低酸素領域または低pH領域において検出対象と特異的吸着反応を起こす分子構造を含む物質などを利用することができる。
(Marker part and conjugate of marker part and shell part)
The marker portion has a configuration that selectively reacts with a substance derived from a specific disease to be detected. A marker for detecting various diseases such as tumor and arteriosclerosis can be preferably used for the marker portion. The marker generally has specific selective adsorption. Markers include antibodies that selectively react with antigens, enzymes that selectively react with substrates, and substances that contain a molecular structure that causes a specific adsorption reaction with the detection target in a low oxygen or low pH region. can do.

マーカー部とシェル部とをコンジュゲートさせるためには、たとえば、前述したシェル部として、その末端にカルボキシル基を有する分子を用い、そのカルボキシル基をスクシンイミドエステル化し、抗体や酵素のアミノ基とアミド結合を形成するという手法を用いることができる。他の例として、シェル部を構成する分子の末端をマレイミド化し、抗体や酵素のチオール基と縮合させコンジュゲートすることもできる。   In order to conjugate the marker part and the shell part, for example, a molecule having a carboxyl group at the end is used as the shell part described above, the carboxyl group is succinimide esterified, and the amino group and amide bond of the antibody or enzyme The technique of forming can be used. As another example, the end of the molecule constituting the shell can be maleimidized and condensed with a thiol group of an antibody or an enzyme for conjugation.

(粒子サイズ)
1次励起の結果、結晶内に補足される励起子の数、すなわち色中心の数は1次励起光の波長・出力・露光時間、結晶の欠陥密度・不純物濃度、などに依存し、またその上限値は単位cm当たり1018個であると言われている。色中心の密度が単位cm当たり1018個のとき、一辺100nmの立方体に1千個の色中心が存在する計算になる。
(Particle size)
As a result of primary excitation, the number of excitons captured in the crystal, that is, the number of color centers, depends on the wavelength, output, exposure time, defect density, impurity concentration, etc. of the primary excitation light. The upper limit is said to be 10 18 per cm 3 . When the density of color centers is 10 18 per cm 3 , the calculation is such that 1000 color centers exist in a cube with a side of 100 nm.

アルカリハライド(あるいはアルカリ土類ハライド)水溶液からスプレードライ法やインクジェット法によって、数10nm乃至100nmの微粒子径の結晶を得ることができる。スプレードライ法はアルカリハライド水溶液を噴霧して微細な液滴を形成した状態でその液滴を乾燥空気に晒して微粒子として結晶化させる方法である。インクジェット法は微細ノズルから微細な液滴を吐出し、これを乾燥させるか、ブタノールなどアルカリハライドに対して貧溶媒中に滴下することによって微粒子結晶を得る方法である。   Crystals having a fine particle diameter of several tens to 100 nm can be obtained from an alkali halide (or alkaline earth halide) aqueous solution by a spray drying method or an ink jet method. The spray drying method is a method in which an aqueous solution of alkali halide is sprayed to form fine droplets, and the droplets are exposed to dry air to crystallize as fine particles. The ink jet method is a method for obtaining fine particle crystals by discharging fine droplets from a fine nozzle and drying them or dropping them into a poor solvent with respect to an alkali halide such as butanol.

コアの外側にシェルを形成し、さらにマーカー部位をコンジュゲートした最終的な造影剤としたときの全体の粒子サイズは、生体内における薬剤移送(ドラッグデリバリー)が可能である大きさとすることが好ましい。血管透過性を考慮すると、粒子サイズ((コアと前記シェルと前記マーカー部をあわせた全体としての粒子の大きさ:以下、平均粒径で考えることとする)は100nm以下であることが好ましく、50nm乃至100nmであることがより好ましい。平均粒径を100nm以下にすることによって、生体への投与時に血栓が発生するリスクを小さくすることもできる。血管通過性には粒子サイズのみならず親疎水性や分子高次構造などが寄与するため、100nm以下は一つの目安である。なお、ここでいう粒径とは動的光散乱法を用いて測定したときの粒径を意味する。   It is preferable that the total particle size when the shell is formed on the outer side of the core and the final contrast agent is conjugated with the marker site is such that drug transfer (drug delivery) is possible in vivo. . In consideration of blood vessel permeability, the particle size ((the size of the particle as a whole including the core, the shell, and the marker portion: hereinafter referred to as the average particle size) is preferably 100 nm or less, More preferably, the average particle size is 100 nm or less, which can reduce the risk of thrombosis during administration to a living body. 100 nm or less is one standard because of the contribution of molecular structure and molecular higher order structure, etc. The particle size here means the particle size measured by the dynamic light scattering method.

(色中心形成のタイミング)
本発明にかかる造影剤の光吸収の有効成分としての粒子は、コア部とシェル部とマーカー部とを結合した状態で保存、輸送することが可能である。本発明の造影剤は、光吸収の有効成分としての粒子のみから、あるいは、必要に応じて担体や希釈剤と混合して、調製することができる。予め色中心を形成していない状態の造影剤を用いる場合は、光音響トモグラフィ(PAT)での画像取得の準備段階で、造影剤のコア部を1次励起して診断対象にこれを投与する。その際、前述したように、コア部にγ線、X線、電子線、紫外線など1次励起光を照射すると着色し、PAT診断用の光の波長帯に光吸収を有する色中心を形成する。シェル部やマーカー部は1次励起光をほぼ透過するため、励起光は主にコア部で吸収される。
(Color center formation timing)
The particles as an active ingredient for light absorption of the contrast agent according to the present invention can be stored and transported in a state in which the core part, the shell part, and the marker part are combined. The contrast agent of the present invention can be prepared from only particles as an active ingredient for light absorption or, if necessary, mixed with a carrier or a diluent. When using a contrast agent in which the color center has not been formed in advance, the core of the contrast agent is primarily excited and administered to the diagnosis target in the preparation stage of image acquisition by photoacoustic tomography (PAT). To do. At that time, as described above, the core portion is colored when irradiated with primary excitation light such as γ-rays, X-rays, electron beams, and ultraviolet rays, and a color center having light absorption in the wavelength band of light for PAT diagnosis is formed. . Since the shell part and the marker part almost transmit the primary excitation light, the excitation light is mainly absorbed by the core part.

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)光音響造影剤の作製
溶液量が1mlとなるように臭化カリウム(分子量119.01)0.5gを純水に溶解し、4.2M水溶液を作製した(飽和濃度である1g/1.5mlに近い濃度としている)。この臭化カリウム水溶液を加圧空気により破砕分散し、発生したミストを分級後、常温の乾燥空気と混合して粒径60nm乃至100nmの範囲の微粒子結晶を形成した。その際、粒子発生装置として、柴田科学株式会社製AP−9000Gを用いた。平均粒径は動的光散乱法を利用して計測した。
(Example 1) Production of photoacoustic contrast agent 0.5 g of potassium bromide (molecular weight 119.01) was dissolved in pure water so that the amount of the solution was 1 ml, and a 4.2 M aqueous solution was produced (at a saturated concentration). The concentration is close to 1 g / 1.5 ml). This potassium bromide aqueous solution was crushed and dispersed with pressurized air, and the generated mist was classified and mixed with dry air at room temperature to form fine-particle crystals having a particle size in the range of 60 nm to 100 nm. At that time, AP-9000G manufactured by Shibata Science Co., Ltd. was used as a particle generator. The average particle size was measured using a dynamic light scattering method.

この臭化カリウム微粒子結晶をコア部としてパラフィン中に分散し、その中に平均分子量12000のN−ヒドロキシスクシンイミドエステル(NHS)末端化ポリエチレングリコール(日本油脂製)を添加してコア部の周囲に吸着させ、コア−シェル構造体を形成した。このようにして得られたコア−シェル構造体を水相に抽出し、水分散状態とした。その後、シェル部にマウスマクロファージに発現するレセプターに対する抗体を標識し、マーカー部をコンジュゲートさせた。この粒子の平均粒径をレーザ回折式粒度分布測定装置によって計測したところ、粒径は70nm乃至100nmであった。このマーカー部をコンジュゲートさせた粒子にX線(Cu−Kα線、45kV40mA)を1時間以上照射し、臭化カリウムが青く着色し色中心が形成されたことを確認した。これを光音響造影剤とすることができる。   This potassium bromide fine particle crystal is dispersed in paraffin as a core part, and N-hydroxysuccinimide ester (NHS) -terminated polyethylene glycol (manufactured by NOF Corporation) with an average molecular weight of 12000 is added to adsorb around the core part. To form a core-shell structure. The core-shell structure thus obtained was extracted into an aqueous phase to obtain a water dispersion state. Thereafter, an antibody against a receptor expressed in mouse macrophages was labeled on the shell part, and the marker part was conjugated. When the average particle diameter of the particles was measured by a laser diffraction particle size distribution analyzer, the particle diameter was 70 nm to 100 nm. X-rays (Cu-Kα rays, 45 kV, 40 mA) were irradiated for 1 hour or more to the particles conjugated with this marker part, and it was confirmed that potassium bromide was colored blue and a color center was formed. This can be used as a photoacoustic contrast agent.

(実施例2)光音響造影剤による診断
肺にマウスマクロファージレセプターを発現させたマウスに、実施例1において作製した光音響造影剤の全量を静脈投与する。30分後に633nmのHe−Neレーザパルスを32mJ/cmの強度で照射し、水中において、複数のImmersion Transducer(商品名:東レエンジニアリング製)を用いてマウスの肺のレセプター発現部位からの音響信号を計測する。その際、マウスの少なくとも肺を内包する部分は水中に配置する。図6で示すようなレーザパルス照射時から音響信号が観察されるまでの遅延時間から、レセプター発現部位とImmersion Transducerとの距離を推定し、マウスの周囲数点で観測した音響信号を符号化ブロックパターン法などにより画像処理することで、トモグラフィを得る。一方、光音響造影剤を投与しない場合には前述と同じ光を照射しても音響信号は観測されず、肺のレセプター発現部位に特異的に光音響造影剤が集積したことにより造影がなされたことが確認できる。
(Example 2) Diagnosis with photoacoustic contrast agent The whole amount of the photoacoustic contrast agent prepared in Example 1 is intravenously administered to a mouse in which a mouse macrophage receptor is expressed in the lung. 30 minutes later, a He—Ne laser pulse of 633 nm was irradiated at an intensity of 32 mJ / cm 2 , and an acoustic signal from a receptor expression site in a mouse lung using a plurality of Immersed Transducers (trade name: manufactured by Toray Engineering) in water. Measure. At that time, at least the part of the mouse that contains the lungs is placed in water. The distance between the receptor expression site and the Immersion Transducer is estimated from the delay time from when the laser pulse is irradiated until the acoustic signal is observed as shown in FIG. 6, and the acoustic signal observed at several points around the mouse is coded. Tomography is obtained by image processing using a pattern method or the like. On the other hand, when no photoacoustic contrast agent was administered, no acoustic signal was observed even when irradiated with the same light as described above, and contrast was achieved by the specific accumulation of the photoacoustic contrast agent at the receptor expression site in the lung. I can confirm that.

(実施例3)680nmに吸収ピークを持つ光音響造影剤の作製
臭化カリウム(分子量119.01)0.06gと臭化ルビジウム(分子量165.39)0.74gとを含有する混合水溶液1mlを調製した。この混合水溶液中には、臭化カリウムと臭化ルビジウムとがおよそ1:9のモル比率で存在する。実施例1と同様の手段で微粒子コア部形成、シェル部形成、マーカーコンジュゲート形成を行い、波長680nmの近赤外レーザダイオードに適した光音響造影剤を作製した。
(Example 3) Preparation of a photoacoustic contrast agent having an absorption peak at 680 nm 1 ml of a mixed aqueous solution containing 0.06 g of potassium bromide (molecular weight 119.01) and 0.74 g of rubidium bromide (molecular weight 165.39) Prepared. In this mixed aqueous solution, potassium bromide and rubidium bromide are present in a molar ratio of approximately 1: 9. Fine particle core formation, shell formation, and marker conjugate formation were performed by the same means as in Example 1 to prepare a photoacoustic contrast agent suitable for a near-infrared laser diode having a wavelength of 680 nm.

以上述べた本発明の好適な形態によれば、近赤外波長領域のMPE以下の微弱光を入力信号とし、これを大きな音響出力信号に変換することが可能な構造を有する光音響造影剤を得ることができる。   According to the preferred embodiment of the present invention described above, a photoacoustic contrast agent having a structure capable of converting weak light below the MPE in the near-infrared wavelength region into an input signal and converting it into a large acoustic output signal. Obtainable.

(a)及び(b)は、本発明の光音響コントラスト造影剤の一例の模式図である。(A) And (b) is a schematic diagram of an example of the photoacoustic contrast contrast agent of this invention. 従来の生体画像化装置の模式図である。It is a schematic diagram of the conventional biological imaging apparatus. (a)及び(b)は、本発明の光音響造影剤に用いる色中心形成メカニズムを説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining the color center formation mechanism used for the photoacoustic contrast agent of this invention. 色中心を形成した各種イオン性結晶の吸収スペクトルを測定した図である。It is the figure which measured the absorption spectrum of the various ionic crystals which formed the color center. 色中心を形成した各種イオン性結晶の吸収スペクトルを測定した図である。It is the figure which measured the absorption spectrum of the various ionic crystals which formed the color center. 臭化ナトリウム結晶の色中心に532nmの光を照射したときの光音響信号である。It is a photoacoustic signal when 532 nm light is irradiated to the color center of a sodium bromide crystal. 色中心の多形を表す図である。It is a figure showing the polymorphism of a color center.

符号の説明Explanation of symbols

1 コア部
2 シェル部
3 マーカー部
4 コンジュゲート部
5 水槽
6 被測定物
7 光源
8 ミラー
9 凹レンズ
10 トランスデューサ(Transducer)
11 アンプリファイアー(amplifier)
12 オシロスコープ
13 コンピュータ
14 ステップモータ(step motor)
15 発振用素子
16 光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Core part 2 Shell part 3 Marker part 4 Conjugate part 5 Water tank 6 Measured object 7 Light source 8 Mirror 9 Concave lens 10 Transducer (Transducer)
11 Amplifier
12 oscilloscope 13 computer 14 step motor
15 Oscillator 16 Light

Claims (7)

光音響トモグラフィ(PAT)診断に用いる光音響造影剤において、
アルカリハライドもしくはアルカリ土類ハライドからなる結晶を含むコア部と、
前記コア部を被覆して前記コア部が外部環境に触れないようにするシェル部と、
検出対象の特定疾病由来の物質と選択的に反応するマーカー部と、を有し、前記コア部と前記シェル部と前記マーカー部をあわせた全体の平均粒径が100nm以下である粒子を、光吸収成分として含むことを特徴とする光音響造影剤。
In a photoacoustic contrast agent used for photoacoustic tomography (PAT) diagnosis,
A core containing a crystal comprising an alkali halide or an alkaline earth halide;
A shell portion that covers the core portion so that the core portion does not touch the external environment;
A marker part that selectively reacts with a substance derived from a specific disease to be detected, and particles having a total average particle size of 100 nm or less including the core part, the shell part, and the marker part A photoacoustic contrast agent comprising an absorbing component.
前記PAT診断の光の波長帯域が600nm以上1300nm以下の近赤外領域であることを特徴とする請求項1に記載の光音響造影剤。   2. The photoacoustic contrast agent according to claim 1, wherein a wavelength band of light for the PAT diagnosis is a near infrared region of 600 nm to 1300 nm. 前記シェル部が無機高分子化合物を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の光音響造影剤。   The photoacoustic contrast agent according to claim 1, wherein the shell portion contains an inorganic polymer compound. 前記無機高分子化合物が、シリカ、アルミナあるいはこれらを主成分とする複合体であることを特徴とする請求項3に記載の光音響造影剤。   The photoacoustic contrast agent according to claim 3, wherein the inorganic polymer compound is silica, alumina, or a composite containing these as a main component. 前記シェル部が有機高分子化合物を含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光音響造影剤。   The photoacoustic contrast agent according to claim 1, wherein the shell portion contains an organic polymer compound. 前記シェル部が、前記有機高分子化合物として、ポリエチレングリコール、ポリペプチド及びこれらの誘導体、もしくは、これらの2種以上の共重合体、あるいは有機デンドリマー化合物、又はこれらの2種以上の混合物を含むことを特徴とする請求項5に記載の光音響造影剤。   The shell part contains, as the organic polymer compound, polyethylene glycol, a polypeptide and a derivative thereof, a copolymer of two or more of these, an organic dendrimer compound, or a mixture of two or more of these. The photoacoustic contrast agent according to claim 5. 前記マーカー部が、抗体、あるいは、低酸素領域または低pH領域において特異的吸着反応を起こす分子構造を含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光音響造影剤。   The photoacoustic contrast agent according to any one of claims 1 to 6, wherein the marker part includes an antibody or a molecular structure that causes a specific adsorption reaction in a low oxygen region or a low pH region.
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